УДК 551.321.84+551.324.5
Результаты радиолокационного зондирования и моделирования течения ледникового покрова Восточной Антарктиды вдоль линии тока, проходящей через станцию Восток
© 2010 г. Е.А. Цыганова1, С.В. Попов2, А.Н. Саламатин1, В.Я. Липенков3
'Казанский государственный университет; 2Полярная морская геологоразведочная экспедиция, Санкт-Петербург;
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
Andrey.Salamatin@ksu.ru
Статья принята к печати 25 февраля 2009 г.
Геотермический поток, ледниковая скважина, ледниковый покров, ледяной керн, линия тока, палеоклиматический сигнал, подлёдное озеро.
Flow line, geothermal flux, glacier borehole, ice core, ice sheet, palaeoclimatic signal, subglacial lake.
^атья посвящена общим вопросам моделирования ледниковых покровов, связанным с интерпретацией палеоклиматических сигналов в ледяных кернах. В ней на основе новых географических, геофизических и гляциологических данных пересматриваются полученные ранее результаты и продолжено исследование проблемы датировки ледяных кернов и реконструкции климата по измерениям изотопного состава глубинных образцов льда со станции Восток, расположенной в Восточной Антарктиде над обширным подлёдным озером. Течение льда вдоль рассматриваемой линии тока моделируется с привлечением широкого спектра дополнительных данных: термометрии скважин, радиолокационного зондирования слоёв внутреннего отражения и измерений воздушных пузырьков. Одновременно с полевыми исследованиями усовершенствована термомеханическая модель динамики ледникового покрова и его взаимодействия с озером. По расчетам, лёд пересекает озеро Восток за 40 тыс. лет. Скорость намерзания воды над озером при найденном геотермическом потоке 0,054 Вт/м2 оценивается в среднем около 5,5 мм/год и согласуется с современной толщиной намерзшего льда 215 м на станции Восток.
Настоящая работа продолжает серию публикаций авторов [1, 2, 12-14, 52, 54, 55, 57, 68]. В ней рассматриваются общие вопросы моделирования течения ледникового покрова Антарктиды, связанные с датировкой ледяных кернов и палеоклиматической интерпретацией изотопного состава льда. Все выполненные ранее исследования показывают, что решение этой двуединой задачи должно быть основано на возможно более широком и полном использовании всей имеющейся географической, геофизической и гляциологической информации. Первоочередной интерес представляет собой изучение палеоклиматических сигналов в образцах льда, полученных из глубокой скважины на станции Восток, расположенной над обширным подледни-ковым озером в центральной части Антарктиды.
Недавние результаты наземного радиолокационного профилирования, выполненного сотрудниками Полярной морской геологоразведочной экспедиции (ПМГЭ) вдоль линии тока, пересекающей водный бассейн и проходящей через эту станцию, позволяют определить топографию нижней границы ледяного массива и пространственное распределение внутренних изохронных горизонтов отражения в пределах 70-85 % общей толщины ледника в окрестностях озера. Современные карты подлёдного рельефа и высоты поверхности ледникового покрова Антарктиды в районе ледораздела В показывают геометрию трубки тока льда и дополняют полученную детальную радиолокационную картину внутренней деформации слоёв льда. Это в совокупности — новый, уникальный набор данных для прямой «настройки» моделируемого поля
скоростей движения льда в теле ледника. Главная цель настоящей работы заключается в реализации комплексного подхода к датированию ледяного керна со станции Восток и реконструкции климата по данным изотопного анализа на основе согласования усовершенствованной термомеханической модели динамики ледникового покрова вдоль фиксированной трубки тока с имеющейся дополнительной информацией, включающей в себя результаты радиолокационного профилирования, скважинной термометрии, измерений концентрации воздушных пузырьков и возрастные маркеры.
Моделирование динамики ледникового покрова География трубки тока и радиолокационные данные. В
опубликованных ранее работах [14, 36, 57, 68] использовалось приближённое и в ряде случаев схематичное описание условий течения ледникового покрова Антарктиды через станцию Восток. В настоящем исследовании карта высоты поверхности ледника в районе оз. Восток (рис. 1) составлена на основе спутниковой альтиметрии [31, 45] согласно [67] и детализирована по данным геофизических наблюдений ПМГЭ [8, 34, 40] в окрестностях озера. Уточнённая линия тока льда, проходящая через станцию Восток, и окаймляющая её трубка тока, показанные на рис. 1, построены для наземной части ледника ортогонально изогипсам и совпадают с направлением движения льда над водным бассейном [16, 67, 69]. Продольная координата 5 вдоль линии тока измеряется как расстояние от ледораз-дела В, а станция Восток расположена в точке 50 = 370 км.
Рис. 1. Карта высоты поверхности ледникового покрова в районе оз. Восток [31, 45], согласно [67]:
1 - линия тока станции Восток; 2 - трубка тока льда; 3 - радиолокационный маршрут SPRI/NSF [18, 50]; 4 - поверхность озера [40]; 5 - изогипсы с шагом 10 м
Fig. 1. Surface elevation map of Lake Vostok vicinities [31, 45] adapted after [67]:
1 - Vostok ice flow line; 2 - ice flow tube; 3 - SPRI/NSF RES route [18, 50]; 4 - lake water table [40]; 5 - elevation contours with 10-m spacing
Рис. 2. Карта рельефа ложа ледника в районе оз. Восток, составленная в рамках проекта ABRIS [39]:
1 - линия тока станции Восток; 2 - радиолокационные маршруты SPRI/NSF [18, 50]; 3 - поверхность оз. Восток [40]; 4 - контуры поверхности с шагом 200 м
Fig. 2. Bedrock topography map of Lake Vostok vicinities after ABRIS project [39]:
1 - Vostok ice flow line; 2 - SPRI/NSF RES routes [18, 50]; 3 - lake water table [40]; 4 - elevation contours with 200-m spacing
Начиная с международного проекта BEDMAP [33], в Антарктике и, в частности, в окрестностях оз. Восток [8, 34, 40, 65, 66] был выполнен большой объём радиолокационных и сейсмических исследований. Обновлённый фрагмент общей карты высоты поверхности ложа ледника, представленный на рис. 2, — результат работ в рамках очередного проекта ABRIS (Antarctic Bed Relief and Ice Sheet) [39]. Карта создана на основе геодезической сетки с разрешением 5 х 5 км и радиусом осреднения 80 км. Её средняя точность (около 200 м) существенно ограничена из-за крайне неравномерного распределения имеющихся в этом районе радиолокационных профилей. Базовые SPRI/NSF маршруты [18, 50] показаны на рис. 2 точечными линиями. Некоторые результаты этих радарных аэросъёмок использованы позднее в [27, 59—61]. Важно отметить, что одна из трасс, начинающаяся на станции Восток (см. рис. 1 и 2), в средней части проходит вблизи рассматриваемой линии тока, в 100—200 км вверх по течению от станции.
Как воздушные, так и наземные радарные наблюдения позволяют получить ценную информацию о внутреннем строении (слоистости) ледникового покрова, которое отражает топографию ложа и особенности течения льда. Недавно 106-километровый радиолокационный маршрут через подледниковое озеро вдоль линии тока льда у станции Восток был выполнен на гусеничных снегоходах исследователями ПМГЭ в течение двух полевых сезонов 50-й и 51-й Российских антарктических экспедиций (2004—2006 гг.). Полученная совмещённая радиолокационная запись изображена на рис. 3, а. Наряду с рельефом подстилающих горных пород и поверхностью контакта ледника с озером на радарном профиле отчётливо выделяются восемь изохронных слоёв внутреннего отражения, отмеченные кружками и пронумерованные сверху вниз от L0 до L7. Высотное положение слоёв, поверхности ледникового покрова и основания ледника представлены на рис. 3, б. Эти оцифрованные данные использованы далее для «настройки» и верификации модели течения ледникового покрова.
Западная граница озера, где наземная часть ледника погружается в воду, хорошо видна на расстоянии около 55 км от станции Восток, в точке с координатой s^ — 315 км от ледораздела. Далее лёд при движении по линии тока проходит над островом, вновь вступая в контакт с породами между границами налегания и всплывания (s — 323 и Sf — 331 км соответственно).
Описание поля скоростей движения льда. Взаимодействие ледникового покрова и процессов теплопереноса играет особую роль в районе линии тока, проходящей через станцию Восток и пересекающей обширный водный бассейн. С учётом последнего обстоятельства объединённая проблема датировки ледяного керна и палеоклиматических реконструкций рассматривалась в [ 14, 68] в рамках общей термомеханической модели движения ледникового покрова вдоль фиксированной трубки тока [9, 44]. Описание течения льда и формулировка уравнения конвективного теплопереноса были даны в приближении пограничного слоя («мелкого льда») [9—11, 20] с учётом эффектов сжимаемости приповерхностной снежно-фирновой толщи [51]
в упрощённой параметрической форме [13, 52]. Однако в выполненных исследованиях не принималась во внимание непрерывность деформаций ледника при изменении вертикальной и горизонтальной составляющих скорости льда в районе западной береговой линии, при переходе ледникового покрова с наземного на плавучий режим течения. Для устранения этого недостатка было использовано более точное описание поля скоростей в соответствии с общими выражениями, полученными в [51].
К общим допущениям рассматриваемого подхода к моделированию динамики ледника относятся неизменный характер пространственного распределения баланса массы льда на его поверхности в течение рассматриваемого интервала времени t в прошлом и предположение о том, что направление движения льда главным образом определяется рельефом ложа. Как следствие, линии тока льда остаются фиксированными, и конфигурация трубки тока, в которой расположена станция Восток, описывается нормированной шириной Н(,) и текущей приведённой толщиной ледникового массива в эквиваленте льда Д(,, 0. Целесообразно также ввести вертикальную координату £ как относительное расстояние до основания ледника, рассчитываемое в ледяном эквиваленте и нормированное на Д.
Изменение плотности снежно-ф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.